Пороговое переключение селектора Ag-Ga2Te3 с высокой надежностью для приложений с массивами кросс-точек

Введение

Резистивная память с произвольным доступом была исследована как многообещающий кандидат на энергонезависимую память следующего поколения благодаря простоте работы, низкому энергопотреблению, трехмерному (3D) наращиванию потенциала, масштабируемости и простой структуре [1,2,3, 4]. Тем не менее, ток утечки, проходящий через соседние ячейки, должен быть уменьшен, чтобы избежать потенциального сбоя в работе, который может произойти в структурах трехмерного массива точек пересечения (CPA) с высокой плотностью ячеек [5, 6]. Двухполюсные селекторные устройства с низкими токами в закрытом состоянии и высокими отношениями включения / выключения предпочтительны для решения таких проблем с током утечки [7, 8].

Ранее предлагались различные типы селекторных устройств с характеристиками порогового переключения (TS), включая пороговый переключатель Ovonic (OTS) [9], переход металл-изолятор (MIT) [10], суперинейный пороговый переключатель с полевым управлением (FAST). [11], электрохимическая металлизация (ECM) [12] и смешанная ионно-электронная проводимость (MIEC) [13]. Однако селективность и ток утечки селекторов OTS и MIT должны быть улучшены для практических приложений [9, 10]; природа материалов, используемых для селекторов FAST, неизвестна [11]. Между тем, устройства ECM и MIEC с Ag или Cu привлекли значительное внимание из-за их желательных характеристик TS, включая низкий ток утечки, высокое соотношение включения / выключения, крутой наклон при включении и большой гистерезис между пороговым напряжением ( V _TH ) и удерживаемого напряжения ( В _{Удерживать} ) [14,15,16]. В структуре резистора с одним селектором и одним резистором (1S1R) окно напряжения для операции чтения определяется установленным напряжением ( V _{Установить} ) памяти и V _TH селектора. Потому что V _{Установить} варьируется в зависимости от материалов, используемых для запоминающего устройства, модуляция V _TH требуется для облегчения работы устройства 1S1R [17]. Более того, большая разница между V _TH и V _{Удерживать} может облегчить операционную сложность структуры CPA и ослабить строгие требования согласования напряжений [18, 19].

Механизм переключения таких селекторных устройств, использующих активный металл, такой как Ag или Cu, основан на образовании и растворении металлического канала проводимости. Следовательно, матрица материала электролита существенно влияет на миграцию активного металла и скорость переключения селектора. Скорость переключения селектора на основе электролита на основе оксида, как правило, ниже, чем порядок микросекунд [20,21,22], что относительно медленно по сравнению с ранее описанными устройствами селектора OTS [23] или MIT [24]. ]. Между тем, дефекты в пленках халькогенидов, такие как несвязанный Te (NBT), могут снизить энергию активации миграции активных ионов металлов; поэтому халькогенидные материалы предпочтительны для быстрой миграции активных ионов металлов [18]. Однако из-за их беспорядочно сформированного металлического проводящего канала эти материалы имеют недостатки с точки зрения их коммутационной стойкости, что является решающим фактором для селекторов [14, 18, 25]. Долговечность устройства ECM может быть увеличена с 10 ³ до 10 ⁶ циклы с использованием промежуточного буферного слоя [26]. Однако для практического применения таких устройств в структурах CPA требуется дальнейшее повышение долговечности [5].

В этом исследовании высокодефектный аморфный Ga ₂ Te ₃ был использован в качестве переключающего слоя путем вставки слоя Ag для исследования характеристик TS с точки зрения низкого тока утечки (ток в закрытом состоянии), высокой селективности, модуляции V _TH и V _{Удерживать} , и высокая выносливость. Аморфный Ga ₂ Te ₃ является полезным в качестве материала электролита, потому что есть несколько NBT, которые снижают энергию активации миграции Ag, и вакансию Ga, которая действует как место миграции Ag в аморфном Ga ₂ Te ₃ фильмы [27,28,29].

Методы

Селекторные устройства TiN / Ag / Ga ₂ Te ₃ Пакеты / TiN были изготовлены со структурой сквозных отверстий для исследования их характеристик TS, как показано на рисунке 1a. Сначала в качестве нижних электродов (ДЭ) были сформированы заглушки из TiN размером 0,42 мкм × 0,42 мкм. Ga ₂ Te ₃ тонкие пленки толщиной 40 нм были нанесены методом совместного распыления с помощью ВЧ магнетрона с использованием Ga ₂ Мишени Te и Te. Затем на Ga ₂ была нанесена пленка Ag толщиной 10 нм. Te ₃ пленки с помощью магнетронного распыления на постоянном токе. Наконец, был сформирован верхний электрод из TiN (TE) с использованием магнетронного распыления на постоянном токе и метода отрыва.

а Схема Ag / Ga ₂ Te ₃ селекторные устройства. б ПЭМ-изображение поперечного сечения TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ Селекторное устройство / TiN

Электрические свойства были исследованы с использованием анализатора Keysight B1500A при 298 К. Испытания на переключение постоянного тока проводились с током соответствия ( I _comp ), чтобы избежать поломки устройств TS. Кроме того, AC I - V измерения проводились при сопротивлении внешней нагрузки 1 МОм для предотвращения выхода из строя устройств. Микроструктуру устройства исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ; JEOL FEM-F200), как показано на рис. 1b. Образцы приборов для просвечивания поперечных сечений были приготовлены с использованием системы сфокусированного ионного пучка. Атомное распределение Ag в Ga ₂ Te ₃ Пленка была исследована с использованием измерений спектроскопии рассеяния энергии с помощью просвечивающей электронной микроскопии (EDS).

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показано поперечное сечение ПЭМ-изображения чистого TiN / Ag-Ga ₂ . Te ₃ / TiN стек селекторного устройства. Прослойка Ag толщиной 10 нм поверх Ga ₂ не наблюдалась. Te ₃ тонкая пленка. На рис. 2b представлено EDS-отображение элементов Ga, Te, Ag и Ti для красной прямоугольной области, отмеченной на рис. 2а. Картографические изображения EDS показывают, что Ag равномерно распределен в Ga ₂ Te ₃ пленки, хотя процесс совместного распыления Ag не применялся. Однородный Ag-Ga ₂ Te ₃ Возможно, пленка образовалась из-за диффузии Ag во время формирования стопки. О такой быстрой гомогенизации Ag сообщалось также для пленок GeTe [30,31,32]. Ag может диффундировать в Ga ₂ Te ₃ тонкая пленка из-за дефектов, таких как вакансии NBT и Ga в Ga ₂ Te ₃ тонкие пленки [18, 27,28,29].

а ПЭМ-изображение поперечного сечения TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ Устройство устройства TiN. б Картографические изображения TEM – EDS Ga, Te, Ag и Ti для красной прямоугольной области, отмеченной a

На рисунке 3а показаны вольт-амперные характеристики Ag-Ga ₂ . Te ₃ устройства с площадью нижнего электрода 0,42 мкм × 0,42 мкм для 100 последовательных циклов развертки постоянного тока. Устройство показало характеристики TS без формовки. Когда напряжение на TE изменилось от 0 до 1,5 В, ток проводимости резко увеличился на V _TH ≈ 0,87 В на I _comp он был установлен на 1 мкА, что указывало на то, что устройство переключилось из состояния с высоким сопротивлением (HRS) в состояние с низким сопротивлением (LRS). Устройство расслабилось обратно в HRS на V _{Удерживать} ≈ 0,12 В при снижении напряжения с 1,5 до 0 В, демонстрируя значительную разницу между В _TH и V _{Удерживать} . Ток в закрытом состоянии при V _TH был измерен как менее 100 фА, что соответствует одному из самых низких значений по сравнению с ранее сообщенными селекторами на основе халькогенидов с использованием активных металлов, таких как Ag или Cu [14, 18, 25, 30, 33]. Селективность, которая определяется как отношение тока в открытом состоянии к току в закрытом состоянии, составляла примерно 10 ⁸ . . Как показано на рис. 3b, ВАХ показали стабильные характеристики TS для различных значений I _comp значения в диапазоне от 10 нА до 10 мкА, что указывает на его гибкость в отношении рабочего тока. ТС без формования с большой разницей между V _TH и V _{Удерживать} из Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторные устройства явно превосходят характеристики TS Ga ₂ Te ₃ -только селекторные устройства OTS [34]. Поскольку процесс формовки рассматривается как потенциальное препятствие для реальных приложений, характеристики Ag-Ga ₂ без формовки Te ₃ устройства более выгодны, чем селекторные устройства, которые требуют процесса формования [35]. Далее, характеристика TS с большим гистерезисом Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство может снизить операционную сложность структуры CPA и упростить строгие требования к согласованию напряжения [18, 19]. Кроме того, Ag-Ga ₂ Te ₃ селектор показывает крутой наклон 0,19 мВ / дек со скоростью сканирования 1,5 мВ на шаг измерения, как показано на рис. 3c. Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство продемонстрировало отличные характеристики, в том числе высокую селективность (10 ⁸ ), низкий ток в закрытом состоянии (<100 фА), крутой наклон при включении (0,19 мВ / дек) и характеристики без образования формовки.

а Я - V характеристики Ag-Ga ₂ Te ₃ селектор результатов развертки постоянного напряжения в течение 100 последовательных циклов. Аг-Ga ₂ Te ₃ селектор показывает значительно низкий ток утечки (<100 фА) с отношением включения / выключения 10 ⁸ . б TS характеристики Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство на различных I _comp значения от 10 нА до 10 мкА. c Крупный план I - V кривая при TS, которая показывает крутизну включения 0,19 мВ / дек

Поскольку изменение производительности устройства является решающим фактором для применения селектора к структуре CPA, распределения V _TH , V _{Удерживать} , сопротивление высокоомного состояния ( R _HRS ), и сопротивление низкоомного состояния ( R _LRS ) были исследованы на 25 случайных устройствах. На рисунке 4а показано, что распределение порогового напряжения находилось в диапазоне от 0,75 до 1,08 В, а распределение напряжения удержания - от 0,06 до 0,375 В. Кроме того, распределение сопротивления в HRS составляло от 10 ¹¹ до 10 ¹⁴ Ом, в то время как сопротивление на LRS было примерно 10 ⁶ Ω, как показано на рис. 4б. Из-за образования металлического канала проводимости селекторные устройства, использующие активные металлы, такие как Ag или Cu, демонстрируют относительно широкие вариационные характеристики [36, 37]. Соответственно, сообщалось об исследованиях по повышению надежности этих характеристик за счет легирования или введения буферного слоя [37, 38].

а Варианты V от устройства к устройству _TH и V _{Удерживать} на 25 устройств. б Варианты R от устройства к устройству _HRS и R _LRS на 25 устройств

Для исследования переходной характеристики Ag-Ga ₂ Te ₃ селектора, ток измерялся с помощью блока быстрого измерения генератора сигналов (WGFMU) во время импульса напряжения с высотой 3 В, временем нарастания-спада 100 нс и длительностью 1,5 мкс с сопротивлением внешней нагрузки 1 МОм, так как показано на рисунке 5а. Ток проводимости Ag-Ga ₂ Te ₃ Устройство селектора достигло своего пикового значения через 406 нс от точки, в которой напряжение достигло максимального значения 3 В. Кроме того, устройство было переключено в выключенное состояние в течение 605 нс после снятия приложенного напряжения. Следовательно, время включения и выключения Ag-Ga ₂ Te ₃ селектор составлял примерно 400 нс и 600 нс соответственно. Медленное переключение Ag-Ga ₂ Te ₃ селектор может быть отнесен к миграции и окислительно-восстановительным реакциям Ag для образования канала проводимости. Кроме того, влияние приложенного напряжения и температуры измерения на время переключения было исследовано при входном напряжении 1,5-5 В и температуре измерения 298-375 К. Время включения было уменьшено с 1 мкс до 294 нс, тогда как время выключения было увеличено с 400 нс до 849 нс при увеличении импульсного напряжения с 1,5 до 3,5 В, как показано на рис. 5b. Зависимость скорости переключения от приложенного напряжения сопоставима с ранее опубликованными результатами для слоя Ag на HfO ₂ и TiO ₂ [39]. Кроме того, на рис. 5c показано, что время включения и выключения уменьшалось с увеличением температуры измерения. Согласно графику Аррениуса скорости переключения в зависимости от температуры измерения, показанному на рис. 5d, экспоненциальную зависимость скорости переключения от температуры измерения можно отнести к термически облегченным процессам, таким как диффузия атомов Ag в матрице пленки электролита [40]. Энергии активации для включения и выключения были оценены как 0,50 эВ и 0,40 эВ, соответственно, что сопоставимо с теми, которые представлены в предыдущем отчете об устройстве на основе Ag-нити [41]. Сообщалось, что проводящие каналы Ag образовывались под действием электрического смещения в HfO ₂ , SiO ₂ , и TiO ₂ [15, 42, 43]. Однако в этом исследовании было обнаружено, что Ag равномерно распределен в чистом Ga ₂ Te ₃ фильмы. Хотя механизм TS в Ga ₂ Te ₃ пленки с равномерным распределением Ag четко не изучены, Ag может быть связан с образованием проводящих каналов в Ga ₂ Te ₃ пленки под электрическим смещением. Следовательно, зависимость скорости переключения от входного напряжения и температуры измерения Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство можно отнести к образованию токопроводящих каналов.

а AC I - V измерение Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство (условия измерения:время нарастания =100 нс, длительность =1,5 мкс, время спада =100 нс, входное напряжение =3 В). б Зависимость скорости переключения от приложенного импульсного напряжения. c Зависимость скорости переключения от температуры измерения. г График Аррениуса скорости переключения в зависимости от температуры измерения

Характеристика выносливости переменного тока была исследована при тех же условиях импульса напряжения, что и испытание на скорость переключения. Напряжение считывания для HRS и LRS составляло 0,5 и 3 В соответственно. Измеренные сопротивления HRS и LRS были нанесены на график для 450 точек на декаду, как показано на рис. 6. Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство показало стабильные характеристики выносливости до 10 ⁹ циклов с сохранением селективности 10 ⁸ , таким образом демонстрируя превосходные характеристики коммутационной стойкости по сравнению с другими селекторами, в которых использовались халькогениды и активные металлы [18, 25, 30].

Характеристики выносливости на переменном токе Ag-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство до 10 ⁹ циклов (напряжения чтения 0,5 В и 3 В для R _HRS и R _LRS соответственно)

Выводы

В этом исследовании мы продемонстрировали стабильные характеристики TS селекторного устройства, изготовленного с использованием Ag с высокой подвижностью ионов и высокодефектного аморфного Ga ₂ Te ₃ как коммутирующий слой. ПЭМ-анализ TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ Структура / TiN показала, что внедренная прослойка Ag полностью диффундировала в Ga ₂ Te ₃ пленка для равномерного распределения Ag в Ga ₂ Te ₃ слой. Это может быть из-за сильно дефектной структуры аморфного Ga ₂ Te ₃ при последующем нанесении TE TiN. Аг-Ga ₂ Te ₃ селекторное устройство показало отсутствие формования TS, большой гистерезис (1 В), высокую селективность (10 ⁸ ), низкий ток в закрытом состоянии (<100 фА), крутой наклон при включении (0,19 мВ / дек) и отличные характеристики выносливости (10 ⁹ циклы). Кроме того, измерения переменного тока показали, что скорость переключения составляет порядка сотен наносекунд. Зависимость скорости переключения от импульсного напряжения может быть комбинированным эффектом миграции Ag и окислительно-восстановительной реакции. Более того, аррениусовское поведение скорости переключения на основе температуры измерения предполагает, что TS относится к термически облегченному процессу. В заключение, Ag-Ga ₂ Te ₃ Устройство с отличными характеристиками TS и выносливости является многообещающим кандидатом на роль селектора в приложениях памяти CPA.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

3D:

Трехмерный

Цена за конверсию:

Массив точек пересечения

TS:

Пороговое переключение

OTS:

Пороговый переключатель Овоник

MIT:

Переход металл – изолятор

БЫСТРО:

Сверхлинейный пороговый переключатель с полевым управлением

ECM:

Электрохимическая металлизация

MIEC:

Смешанная ионно-электронная проводимость

V _TH :

Пороговое напряжение

V _{Удерживать} :

Напряжение удержания

1S1R:

Один селектор - один резистор

V _{установить} :

Установить напряжение

NBT:

Несвязанный Te

TE:

Верхний электрод

BE:

Нижний электрод

I _comp :

Текущее соответствие

HRS:

Состояние высокого сопротивления

LRS:

Состояние низкого сопротивления

R _HRS :

Сопротивление высокоомного состояния

R _LRS :

Сопротивление низкоомного состояния